무선 네트워크와 모바일 통신
무선 네트워크는 현대 인터넷 접속의 핵심입니다. 스마트폰, 노트북, IoT 장치 등 대부분의 인터넷 접속이 무선을 통해 이루어집니다.
이 글에서는 무선 링크의 고유한 특성, WiFi(802.11) 프로토콜의 구조와 동작, 셀룰러 네트워크의 발전, 그리고 이동성 관리 메커니즘을 살펴봅니다.
1. 무선 네트워크의 구성 요소
무선 네트워크 구성
====================
[유선 인터넷]
|
[기지국/AP] ----무선---- [무선 호스트]
| 링크 [무선 호스트]
| [무선 호스트]
[유선 네트워크]
구성 요소:
1. 무선 호스트: 스마트폰, 노트북, 태블릿
2. 기지국 (Base Station): AP, 셀 타워
3. 무선 링크: 호스트와 기지국 간 통신 채널
4. 네트워크 인프라: 기지국을 유선 네트워크에 연결
1.1 무선 네트워크 분류
무선 네트워크 분류
====================
| 인프라 있음 | 인프라 없음
-----------------+-------------------+------------------
단일 홉 | WiFi, 4G LTE | Bluetooth
| (AP/기지국 경유) | (장치 간 직접)
-----------------+-------------------+------------------
다중 홉 | 무선 메쉬 | MANET, VANET
| (릴레이 사용) | (애드혹 네트워크)
2. 무선 링크의 특성
2.1 유선 대비 차이점
무선 링크는 유선 링크와 근본적으로 다른 특성을 가집니다.
무선 링크의 주요 특성
======================
1. 경로 손실 (Path Loss)
- 신호 세기가 거리에 따라 급격히 감소
- 자유 공간: 거리의 제곱에 반비례
- 실내: 벽, 가구 등에 의한 추가 감쇄
2. 다중 경로 페이딩 (Multipath Fading)
- 신호가 여러 경로로 반사/회절되어 도달
- 여러 신호가 합쳐져 강화 또는 상쇄
3. 간섭 (Interference)
- 같은 주파수를 사용하는 다른 장치와의 간섭
- 전자레인지, 블루투스 등 (2.4GHz 대역)
4. SNR (Signal-to-Noise Ratio)
- 신호 대 잡음비: 높을수록 오류 감소
- SNR이 높으면: 높은 변조율, 높은 전송률
- SNR이 낮으면: 낮은 변조율, 낮은 전송률
2.2 숨은 터미널 문제
숨은 터미널 문제 (Hidden Terminal Problem)
==========================================
장애물
[A] .....|..... [B] ---------- [C]
| | | |
| A의 범위 | B의 범위 |
|<----->| |<----------->|
| |
A는 C를 감지 불가
C는 A를 감지 불가
문제:
A가 B에게 전송 중
C는 채널을 감지: "비어있음" (A의 신호를 감지 못함)
C도 B에게 전송 시작 --> B에서 충돌 발생!
이것이 무선에서 CSMA/CD를 사용할 수 없는 이유
3. WiFi (IEEE 802.11)
3.1 802.11 아키텍처
802.11 네트워크 구조
=====================
BSS (Basic Service Set):
[AP (Access Point)]
/ | \
[H1] [H2] [H3]
무선 호스트들
ESS (Extended Service Set):
[AP1] --- 유선 --- [AP2] --- 유선 --- [AP3]
/ \ / \ / \
[H1][H2] [H3][H4] [H5][H6]
주요 구성:
- BSS: 하나의 AP와 연결된 무선 호스트 그룹
- AP: 유선 네트워크와 무선 호스트를 연결하는 브리지
- SSID: 네트워크 식별 이름 (예: "MyWiFi")
- 채널: 1~11 (2.4GHz) 또는 36~165 (5GHz)
3.2 802.11 연결 과정
WiFi 연결 과정
================
1. AP 발견
- 수동 스캔: AP가 주기적으로 비콘 프레임 전송
- 능동 스캔: 호스트가 프로브 요청 전송, AP가 응답
2. 인증 및 연결
호스트 AP
|--- 인증 요청 (Authentication) -->|
|<-- 인증 응답 --------------------|
|--- 연결 요청 (Association) ----->|
|<-- 연결 응답 --------------------|
3. DHCP로 IP 주소 획득
4. 데이터 전송 시작
3.3 802.11 MAC 프로토콜: CSMA/CA
무선 환경에서는 충돌 감지(CD)가 어렵기 때문에 충돌 회피(CA)를 사용합니다.
CSMA/CA 동작
===============
1. 채널 감지 (Carrier Sense)
- DIFS(Distributed Inter-Frame Space) 동안 채널이 비어있으면 전송
2. 채널이 사용 중이면:
- 랜덤 백오프 타이머 시작
- 채널이 비어있을 때만 타이머 카운트다운
- 타이머 = 0이 되면 전송
3. ACK 확인
- 수신 측이 SIFS(Short Inter-Frame Space) 후 ACK 전송
- ACK 미수신 시 재전송 (백오프 값 증가)
타임라인:
송신자: [DIFS 대기][데이터 전송]....[타임아웃]
수신자: [SIFS][ACK]
CSMA/CD vs CSMA/CA:
CD: 충돌 감지 후 즉시 중단 (이더넷)
CA: 충돌 회피 + ACK 확인 (WiFi)
3.4 RTS/CTS 메커니즘
숨은 터미널 문제를 해결하기 위한 선택적 메커니즘입니다.
RTS/CTS 동작
===============
송신자 A AP 수신 범위의 노드들
| | |
|-- RTS ----------->| |
| (송신 요청) | |
| |---- CTS ------------->|
|<-- CTS -----------| (채널 예약 알림) |
| | |
|== 데이터 ========>| |
| | | (전송 자제)
|<-- ACK -----------| |
| | |
RTS: Request to Send (전송 요청)
CTS: Clear to Send (전송 허가)
CTS를 수신한 모든 노드는 지정된 시간 동안 전송을 자제
--> 숨은 터미널 문제 해결
3.5 802.11 프레임 형식
802.11 프레임 구조
====================
+-------+------+------+------+------+-----+------+------+-----+
|Frame |Dur- |Addr |Addr |Addr |Seq |Addr |Data | CRC |
|Control|ation | 1 | 2 | 3 |Ctrl | 4 | | |
| 2B | 2B | 6B | 6B | 6B | 2B | 6B |0-2312| 4B |
+-------+------+------+------+------+-----+------+------+-----+
4개의 MAC 주소 필드:
주소 1: 수신 무선 인터페이스의 MAC
주소 2: 송신 무선 인터페이스의 MAC
주소 3: AP에 연결된 라우터 인터페이스의 MAC
주소 4: 애드혹 모드에서만 사용
왜 3개의 주소가 필요한가:
H1 --> AP --> 라우터(R1)
주소 1: AP의 MAC (무선 수신자)
주소 2: H1의 MAC (무선 송신자)
주소 3: R1의 MAC (최종 목적지 방향)
4. 802.11 표준의 발전
WiFi 표준 발전
================
표준 | 출시 | 주파수 | 최대 속도 | 특징
----------+-------+----------+------------+------------------
802.11b | 1999 | 2.4 GHz | 11 Mbps | 초기 보급
802.11a | 1999 | 5 GHz | 54 Mbps | OFDM
802.11g | 2003 | 2.4 GHz | 54 Mbps | b와 호환
802.11n | 2009 | 2.4/5 GHz| 600 Mbps | MIMO
(WiFi 4) | | | |
802.11ac | 2013 | 5 GHz | 6.9 Gbps | MU-MIMO
(WiFi 5) | | | |
802.11ax | 2020 | 2.4/5/6 | 9.6 Gbps | OFDMA
(WiFi 6) | | GHz | |
5. 셀룰러 네트워크
5.1 셀룰러 구조
셀룰러 네트워크 기본 구조
===========================
[셀 1] [셀 2] [셀 3]
/ \ / \ / \
/ \ / \ / \
/ BTS \ / BTS \ / BTS \
(기지국) (기지국) (기지국)
| | |
+----------+----------+
|
[BSC/RNC]
(기지국 제어기)
|
[MSC/MME]
(이동 교환국)
|
[코어 네트워크] --- [인터넷]
셀(Cell): 하나의 기지국이 커버하는 영역
주파수 재사용: 인접하지 않은 셀에서 같은 주파수 사용
5.2 세대별 발전
셀룰러 네트워크 세대별 발전
==============================
세대 | 기술 | 속도 | 특징
-------+----------+----------------+------------------
1G | AMPS | 2.4 Kbps | 아날로그 음성
2G | GSM | 14.4 Kbps | 디지털 음성
2.5G | GPRS | 56-114 Kbps | 패킷 데이터
2.75G | EDGE | 384 Kbps | 향상된 데이터
3G | UMTS | 2 Mbps | 모바일 인터넷
3.5G | HSPA | 14 Mbps | 고속 패킷
4G | LTE | 100 Mbps~1Gbps | All-IP 네트워크
4.5G | LTE-A | 3 Gbps | 캐리어 집성
5G | NR | 20 Gbps | 초저지연, IoT
5.3 4G LTE 아키텍처
4G LTE 네트워크 구조
======================
[UE] --무선-- [eNodeB] --- [S-GW] --- [P-GW] --- [인터넷]
| | |
| [MME] [PCRF]
| (이동성관리) (정책/과금)
|
[HSS]
(가입자 DB)
UE: User Equipment (사용자 장치)
eNodeB: 기지국 (진화된 Node B)
S-GW: Serving Gateway (데이터 경로 관리)
P-GW: Packet Gateway (인터넷 연결)
MME: Mobility Management Entity (이동성 관리)
HSS: Home Subscriber Server (가입자 정보)
핵심 특징:
- 모든 트래픽이 IP 패킷으로 전송 (All-IP)
- 음성도 VoLTE (Voice over LTE)로 처리
- 평탄한 아키텍처 (계층 감소로 지연 최소화)
6. 이동성 관리
6.1 이동성의 스펙트럼
이동성 수준
=============
이동 없음 높은 이동성
|-------|--------|--------|--------|---------|
고정 저이동 중이동 고이동 초고속이동
데스크탑 WiFi 보행자 차량 고속열차
로밍 핸드오프 핸드오프
6.2 핸드오프 (Handoff/Handover)
핸드오프 과정
===============
이동 단말이 한 기지국에서 다른 기지국으로 이동:
[이전 BS] .... [이동 단말] .... [새 BS]
| |
| 신호 약해짐 신호 강해짐 |
| |
|<--- 핸드오프 결정 ---------->|
| |
|---- 트래픽 경로 전환 ------->|
| |
핸드오프 유형:
1. 하드 핸드오프: 이전 연결 끊고 새 연결 (GSM)
2. 소프트 핸드오프: 양쪽 동시 연결 유지 (CDMA)
핸드오프 기준:
- 신호 세기 (RSSI)
- 신호 품질 (SINR)
- 부하 분산
6.3 간접 라우팅과 직접 라우팅
이동성 지원: 간접 라우팅
==========================
홈 네트워크 방문 네트워크
[홈 에이전트] [외부 에이전트]
| |
|<---- 이동 단말 등록 ---------|
| |
통신 상대방 --> 홈 에이전트 --> 외부 에이전트 --> 이동 단말
(터널링) (전달)
단점: 삼각 라우팅 (Triangle Routing)
통신 상대방이 방문 네트워크 바로 옆에 있어도
홈 네트워크를 경유해야 함
직접 라우팅:
통신 상대방이 홈 에이전트에서 현재 위치를 확인
이후 직접 외부 에이전트로 전송 (삼각 라우팅 회피)
7. 무선 보안
WiFi 보안 프로토콜 발전
=========================
프로토콜 | 출시 | 암호화 | 보안 수준
---------+-------+------------+----------
WEP | 1999 | RC4 (40bit)| 매우 취약 (사용 금지)
WPA | 2003 | TKIP | 과도기적
WPA2 | 2004 | AES-CCMP | 양호
WPA3 | 2018 | SAE + AES | 강력
WPA2 동작 (4-way Handshake):
1. AP가 랜덤 값 전송
2. 클라이언트가 랜덤 값 + MIC 전송
3. AP가 그룹 키 + MIC 전송
4. 클라이언트가 확인 전송
--> 양측이 세션 키를 안전하게 공유
8. 정리
| 개념 | 핵심 내용 |
| ------------- | ----------------------------------- |
| 경로 손실 | 신호 세기가 거리에 따라 급격히 감소 |
| 숨은 터미널 | 상대방의 전송을 감지 못해 충돌 발생 |
| CSMA/CA | 충돌 회피 + ACK 확인 방식 |
| RTS/CTS | 채널 예약으로 숨은 터미널 문제 해결 |
| 802.11 프레임 | 4개의 MAC 주소 필드 포함 |
| 셀룰러 | 셀 단위 주파수 재사용, 세대별 발전 |
| 4G LTE | All-IP 네트워크, 평탄한 아키텍처 |
| 핸드오프 | 기지국 간 이동 시 연결 전환 |
다음 글에서는 멀티미디어 네트워킹과 스트리밍 기술을 살펴보겠습니다.
참고 자료
- James F. Kurose, Keith W. Ross, "Computer Networking: A Top-Down Approach", 6th Edition, Chapter 6
- IEEE 802.11 - Wireless LAN Standard
- 3GPP TS 36.300 - LTE Architecture
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